多不饱和脂肪酸（PUFA）对人体生长发育、视觉神经功能及心血管健康至关重要，在功能食品、饲料、医药等领域应用广泛。传统PUFA产品主要来自深海鱼类，生产受渔业资源限制，产地集中于南美洲和北欧，国内产品依赖进口。同时，受气候变化和海洋污染影响，鱼油产量下降，价格波动剧烈，难以满足日益扩大的市场需求。近年来，基于海洋微生物的发酵生产PUFA技术不断成熟，不再依赖渔业资源，为PUFA的可持续绿色生物制造提供了理想途径。裂殖壶菌等破囊壶菌科微生物的PUFA合成能力远高于其他物种，是目前发酵生产PUFA的主要菌株之一，其高效合成能力源于特殊的PUFA合成酶。近日，青岛能源与所与北京科技大学合作，在Biotechnology Advances上发表题为“Polyunsaturated fatty acid synthase: structure, mechanism and applications for sustainable polyunsaturated fatty acid production”的综述文章，系统梳理了PUFA合成酶的结构功能机制与代谢工程策略的最新进展，总结了当前面临的核心瓶颈和未来发展方向，为PUFA合成酶的理性设计与细胞工厂构建提供了理论支撑和前瞻指引。

PUFA的生物合成包括好氧的脂肪酸合成酶（FAS）途径和厌氧的聚酮合酶（PKS）途径。PUFA合成酶介导的PKS途径不依赖FAS和氧气，所需辅因子少，与宿主代谢通路交叉干扰小，合成效率高，更适合工业化生产。PUFA合成酶是一种多亚基、多模块的巨型分子机器，不同亚基携带缩合、还原、脱水等多种催化功能域，通过亚基间多功能域的协同工作，实现高效的PUFA合成（图1）。

图1 通过PKS途径生产PUFA的过程

围绕PUFA合成酶“如何工作”这一核心科学问题，基于已解析或AlphaFold3建模的结构，文章重点阐述了各个催化结构域的催化和底物选择性机制：串联的多个酰基载体蛋白结构域ACP需经磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶PPTase活化，活化后的ACP负责携带酰基底物在各酶模块间穿梭，其串联拷贝数与合成效率呈正相关；两个酰基转移酶结构域MAT和AT分别负责底物装载与产物释放，且AT可能与产物链长相关；两种酮酰基合成酶结构域KSa与KSb分工协作完成碳链延伸，KSb也可能参与链长控制；酮基还原酶结构域KR负责将酮基还原为羟基，两类结构和功能差异化的脱水酶结构域DHpks和DHFabA将羟基进一步脱水，分别形成反式和顺式双键，反式双键会再经烯酰还原酶结构域ER还原为单键，而顺式双键被保留，这三种结构域共同塑造了产物中交替顺式双键的位置与构型。文章对这一超分子酶机器运行逻辑的系统总结，为后续理性改造提供了重要依据。

在工程应用方面，文章系统归纳了以裂殖壶菌为代表的PUFA生产菌株的代谢工程进展（图2）：基因编辑工具方面，遗传转化方法、基于同源重组和CRISPR的基因编辑方法、多基因共表达体系等日益成熟，正朝着高效无痕编辑方向发展；菌株改造方面，通过结构域替换和定点突变、与FAS途径协调改造、前体与辅因子供给强化及油脂合成储存优化等策略，显著提升了DHA等PUFA的产量和纯度；底盘拓展方面，PUFA合成酶已在解脂耶氏酵母、乳杆菌等宿主中实现功能性PUFA合成；廉价碳源利用、转录因子调控、增强抗氧化能力、高值产物共生产、作为口服疫苗宿主等研究也取得积极进展。这些成果标志着基于PUFA合成酶的微生物代谢工程已形成较为系统的策略体系，为按需定制PUFA的细胞工厂构建提供了清晰路线。

图2 基于PUFA 合成酶的微生物改造策略

文章同时指出，该领域仍面临核心挑战：PUFA合成酶的完整三维结构尚未解析，链长与双键位置的精确决定机制也未被完全阐明，工业菌株遗传转化效率仍然较低，可编程无标记迭代编辑工具尚不完善。未来需结合冷冻电镜、交联质谱与分子动力学模拟解析全酶或多模块复合体结构，彻底阐明PUFA合成的链长和双键位置决定机制；同时发展高效的无标记迭代编辑系统，系统整合多种代谢工程策略，构建高效的PUFA定制化生产菌株，实现多种PUFA和高附加值产品的可持续性生物制造。

该综述由青岛能源所先进生物炼制与合成研究组冯银刚研究员与北京科技大学宣劲松副教授共同指导完成，青岛能源所陈超副研究员与北京科技大学联合培养硕士研究生王紫雨为共同第一作者。该工作获得了山东省重点研发计划和青岛能源所相关项目的资助。（文/图 陈超）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2026.109025

Chao Chen^#, Ziyu Wang^#, Yujian Wang, Jinsong Xuan*, Yingang Feng*. Polyunsaturated fatty acid synthase: structure, mechanism and applications for sustainable polyunsaturated fatty acid production. Biotechnol. Adv. 2026, 93:109025.